張 偉，姜銀方，嚴(yán)有琪，雷玉蘭，劉秋閣，陳志偉，杜 斌

(1.江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013;2.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院鎮(zhèn)江分院，江蘇鎮(zhèn)江 212009)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和油氣資源的開發(fā)，長距離管道運(yùn)輸?shù)玫搅藦V泛的應(yīng)用。但是，管道運(yùn)輸事故頻頻發(fā)生，在所發(fā)生的事故中，絕大部分管道事發(fā)位置在靠近管道對接焊縫區(qū)域，該區(qū)域因受人為焊接影響，其晶粒粗大，力學(xué)性能較差，塑性較母材下降較大，易產(chǎn)生焊接裂紋，因此對管道對接焊縫的缺陷檢測具有重大意義［1］。

傳統(tǒng)的無損檢測方法如超聲、渦流、X射線等因具有檢測效率低、檢測范圍窄、必須離線進(jìn)行檢測的缺點(diǎn)，已無法適應(yīng)工業(yè)對管道焊縫快速在線檢測的要求。長距離超聲導(dǎo)波技術(shù)［2］是利用超聲導(dǎo)波沿管道內(nèi)壁傳播遇到介質(zhì)突變時(shí)發(fā)生反射的原理進(jìn)行缺陷識別，該技術(shù)與傳統(tǒng)的超聲波檢測技術(shù)相比具有檢測范圍廣，檢測效率高和在管道某一處實(shí)現(xiàn)全方位檢測的特點(diǎn)，引起世界范圍內(nèi)廣泛的研究。Lowe M J S［3］等提出用L(0，2)模態(tài)導(dǎo)波進(jìn)行檢測，并證明L(0，2)模態(tài)導(dǎo)波適用于長距離檢測。Li等［4－5］提出了位移圓周分布調(diào)制聚焦技術(shù)，通過改變傳感器陣列中各單元的激勵(lì)信號幅值系數(shù)和時(shí)間延遲參數(shù)，將導(dǎo)波能量集中在某一個(gè)小的區(qū)域，最終通過軸向和周向的掃描獲得焊縫缺陷的相關(guān)信息。程載斌［6］等進(jìn)行了管道縱向?qū)Р鸭y檢測數(shù)值模擬的識別研究，對管道一端激勵(lì)縱向?qū)Рǎ私邮辗瓷鋺?yīng)力波，通過對接收信號位置周向各節(jié)點(diǎn)位移時(shí)程曲線進(jìn)行疊加，確定裂紋回波和端面回波的位置。為了增強(qiáng)超聲導(dǎo)波的檢測能力，并實(shí)現(xiàn)缺陷的圓周定位，姜秀娟［7］等利用數(shù)值模擬的方法對含有裂紋和焊縫兩種缺陷形式的管道進(jìn)行分析，發(fā)掘了超聲導(dǎo)波技術(shù)在焊縫和裂紋同時(shí)存在時(shí)缺陷檢測的能力。雖然國內(nèi)外利用導(dǎo)波技術(shù)對管道檢測展開的大量研究，但是鮮有針對近焊區(qū)裂紋缺陷的識別技術(shù)。

本文利用壓電傳感器發(fā)射和接收縱向?qū)Рㄐ盘柕脑恚瑢﹂L直管道近焊區(qū)裂紋缺陷進(jìn)行研究。研究內(nèi)容包括:(1)建立管道導(dǎo)波試驗(yàn)系統(tǒng)，提出模態(tài)對稱理論，根據(jù)該理論設(shè)計(jì)模態(tài)對稱算法，根據(jù)對稱算法建立波形模態(tài)對稱曲線用于輔助近焊縫區(qū)缺陷的識別，并研究模態(tài)對稱曲線與管道近焊區(qū)缺陷的關(guān)系。(2)通過小波包能量譜分析方法，研究不同頻帶下的能量分布特征，研究導(dǎo)波能量在焊縫缺陷處的聚焦。

1 管道導(dǎo)波模態(tài)對稱理論

無限長空心管道的導(dǎo)波傳播特性相當(dāng)復(fù)雜，建立如圖1管道柱狀坐標(biāo)系進(jìn)行描述，假設(shè)空心圓柱是軸對稱、且無限長的，材料特性是均勻的、各向同性的線性彈性體，并且其邊界條件都為自由面，則空間質(zhì)點(diǎn)的3 個(gè)位移分量［8］為

其中，ur，uθ，uz分別為徑向、周向和軸向位移分量，為圓周方向的階次;ω 為角頻率;k為波數(shù);Ur，Uθ，Uz分別為徑向、周向和軸向位移幅度，這3個(gè)解分別對應(yīng)管道導(dǎo)波的3種模態(tài)，包括對稱模態(tài)(縱向模態(tài)、剪切模態(tài))和非對稱模態(tài)(彎曲模態(tài))。導(dǎo)波在傳播中遇到管道結(jié)構(gòu)突變會(huì)發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象［9］。由于管道檢測的導(dǎo)波為對稱模態(tài)，若缺陷在管道圓周方向上為非對稱，則反射波通常也呈現(xiàn)非對稱，即為彎曲模態(tài)導(dǎo)波［10］。隨著缺陷的圓周對稱度增大，轉(zhuǎn)換模態(tài)導(dǎo)波的幅值呈線性遞減。圓周對稱度用百分?jǐn)?shù)表示，如圖2所示。

圖1 管道圓柱坐標(biāo)系

圖2 模態(tài)對稱識別原理圖

假設(shè)沿管道外壁周向均布N個(gè)壓電傳感器，采取整環(huán)激勵(lì)、單個(gè)傳感器信號采集的方式，共得到S1～SN組回波信號，依次選擇兩個(gè)圓周對稱傳感器信號的絕對幅值進(jìn)行疊加并取均值，得到以下模態(tài)對稱曲線算法

其中，Y為模態(tài)對稱曲線的幅值;FS1～FSN為個(gè)傳感器在管道對應(yīng)母線上所有信號的幅值。

2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖3所示，通過在計(jì)算機(jī)用公式編輯器編寫漢寧窗調(diào)制的多個(gè)單音頻信號，使其產(chǎn)生所需的激勵(lì)波形。此信號經(jīng)導(dǎo)波診斷儀主機(jī)后施加于管道端部PZT－5壓電傳感器陣列。激勵(lì)環(huán)由均布排列16個(gè)相同規(guī)格壓電傳感器組成，采集環(huán)由8個(gè)均布排列的壓電傳感器組成，通過激勵(lì)縱向L(0，2)模態(tài)進(jìn)行導(dǎo)波檢測檢測頻率范圍為60～100 kHz，激勵(lì)頻率步進(jìn)長度為5 kHz。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置圖

以帶環(huán)焊縫的管道(管道長度為11.5 m，管道外徑108 mm，壁厚6 mm，環(huán)焊縫在5.75 m處)為研究對象，通過在焊縫近焊區(qū)人工制作裂紋，裂紋截面積比分別為4%，6%和10%，研究管道焊縫熱影響區(qū)裂紋在不同缺陷截面積比的情況下，整環(huán)接收波形經(jīng)對稱疊加算法處理后的對稱性曲線，其中裂紋截面積比是指橫向截面上裂紋面積占整個(gè)截面面積的百分比。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果與模態(tài)對稱曲線的繪制

采集整環(huán)傳感器信號，計(jì)算在裂紋缺陷截面積比分別為4%，6%和10%焊縫回波反射系數(shù)，即焊縫回波幅值與激勵(lì)波幅值之比。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著激勵(lì)頻率的改變，焊縫回波的幅值也發(fā)生改變，如圖4所示，缺陷不斷加大時(shí)，焊縫回波反射系數(shù)并非成線性升高，且焊縫回波信號與裂紋信號混疊，難以辨別近焊區(qū)缺陷。

圖4 變頻率下焊縫回波幅值

通過整環(huán)傳感器激勵(lì)單個(gè)傳感器接收的方式，將單個(gè)傳感器接收到的信號的起始位置對齊，采用模態(tài)對稱算法，繪制出對稱性曲線，由于采集的波形具有一定的噪聲，給缺陷識別帶來困難，采用小波濾波方法，濾除其雜波［11－12］。為了便于波形的識別和后續(xù)的信號處理，需要取其包絡(luò)線，求包絡(luò)時(shí)，先求出信號中的極大值和極小值，然后利用這些最大值或最小值作為初始數(shù)據(jù)，通過3次樣條插值和擬合方法擬合出上包絡(luò)。然后通過 Matlab軟件編程，繪制波形的上包絡(luò)線。如圖5與圖6所示，可以直觀地看出在管道環(huán)焊縫近焊區(qū)存在缺陷時(shí)幅值明顯高于在無缺陷工況下的幅值。

圖5 無缺陷波形圖與模態(tài)對稱性曲線

圖6 帶缺陷波形圖與對稱性曲線

3.2 小波包能量譜分析

能量系數(shù)是表征金屬材料在損傷、斷裂狀態(tài)下的最佳參數(shù)，由于管道對接焊縫是圓周對稱結(jié)構(gòu)，若焊縫存在缺陷必會(huì)打破對稱分布，管道對接焊縫熱影響區(qū)組織較密，遇到缺陷在該處的能量會(huì)有相應(yīng)變化，利用小波包分析法在頻帶上的精細(xì)分解，提取不同頻帶的能量分布，利用對稱能量特征對比完好焊縫與帶裂紋缺陷焊縫識別管道焊區(qū)裂紋，并證實(shí)該特征對檢測焊縫裂紋缺陷的有效性。對稱能量系數(shù)指利用小波包分析方法將單路回波信號分解到不同頻帶內(nèi)，計(jì)算出各路回波信號在不同頻帶內(nèi)的歸一化能量比。

小波包分析是管道檢測信號的一種有效處技術(shù)，相比小波分析技術(shù)，小波包分析能夠在信號低頻區(qū)和高頻區(qū)域同時(shí)進(jìn)行向下二進(jìn)分解，可獲得精確的頻率分辨率，通過對時(shí)域信號進(jìn)行小波包分解，可描述信號在不同頻段下相應(yīng)成份的信號強(qiáng)度隨時(shí)間變化的物理特性。理論上而言，隨著小波包分解層數(shù)的增加，信號頻域?qū)⒈粍澐值母?xì)，局部特征也將更明顯。同時(shí)，其頻率的分辨率也更高。但實(shí)際情況下，由于小波包分解采用的“下取樣”不能同時(shí)滿足頻域和時(shí)域的高分辨率。所以，在對信號充分分解的同時(shí)選取合適的分解層數(shù)就顯得尤為重要，根據(jù)在時(shí)域中信號的對稱性，選擇db4小波，分解層數(shù)為3層，分別對單個(gè)傳感器進(jìn)行信號采集，計(jì)算第3層歸一化能量值。

通過在管道一處周向位置預(yù)制人工裂紋缺陷，將采集到的信號進(jìn)行小波包分解，計(jì)算此處周向能量值與整環(huán)傳感器接收信號能量值比，如圖7與圖8，比較在管道焊縫近焊區(qū)有無缺陷導(dǎo)波信號發(fā)現(xiàn)，不帶缺陷的管道環(huán)焊縫區(qū)能量集中在90～100 kHz，帶有裂紋的管道環(huán)焊縫近焊區(qū)能量集聚在70～80 kHz頻率段，在時(shí)間－幅值平面上表現(xiàn)為經(jīng)對稱疊加后幅值的升高。當(dāng)激勵(lì)導(dǎo)波頻率在70～80 kHz時(shí)，通過不斷加大缺陷后發(fā)現(xiàn)，管道焊縫缺陷處模態(tài)對稱曲線幅值升高，如圖9所示。

圖7 管道無缺陷小波子空間能量比

圖8 帶裂紋焊縫小波子空間能量比

圖9 模態(tài)對稱曲線幅值隨缺陷大小變化

4 結(jié)束語

研究管道焊區(qū)導(dǎo)波信號特征參數(shù)對于焊縫中的缺陷識別起著至關(guān)重要的作用，本文基于超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)，進(jìn)行管道對接焊縫熱影響區(qū)缺陷的實(shí)驗(yàn)研究，通過在管道環(huán)焊縫近焊區(qū)人工制作裂紋缺陷，獲得所需缺陷信號。并結(jié)合近焊區(qū)缺陷信號探尋缺陷大小與模態(tài)對稱曲線的關(guān)系。

(1)通過編寫出模態(tài)對稱曲線算法，并根據(jù)該算法編制出輔助缺陷識別的模態(tài)對稱曲線。進(jìn)行管道導(dǎo)波檢測試驗(yàn)，通過人工制作缺陷的方法驗(yàn)證了當(dāng)近焊區(qū)存在缺陷時(shí)，對稱曲線幅值升高，且隨著缺陷截面積比越大，相同位置的對稱曲線幅值越高。

(2)通過小波包能量譜分析方法，得出帶裂紋管道對接焊縫處的能量與無缺陷時(shí)相比，導(dǎo)波在缺陷處聚焦，且聚焦頻率為70～80 kHz的區(qū)間中。

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